CN114843438A - 一种电池极片及其制备方法和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池极片及其制备方法和锂离子电池，该电池极片包括极片主体和间隔设置在极片主体表面的若干凸起单元，各凸起单元之间形成间隙，该间隙一方面可作为储液空间和离子传输通道，从而可提高极片对电解液的浸润性，使电池极片后续应用于电池时可储存更多的电解液，提高保液能力和锂离子传输，改善电池的循环寿命及循环后期电池极片界面；另一方面可作为散热通道，可更好地改善电池内部升温热量的散发，提高电池的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电池极片技术领域，尤其是涉及一种电池极片及其制备方法和锂离子电池。
背景技术
当今社会随着锂离子电池运用到移动设备上越来普及，以及人们对绿色出行、能源环保等理念的认同，移动设备的发展变得更加迅速，各新型能源行业发展迅速，竞争也越来越激烈。随着不可再生资源的减少，为了满足人们对新能源的需求，新技术如雨后春笋，发展尤为迅速，目前锂离子电池的高能量密度及长循环高寿命是各大锂电企业持续研发的目标，因材料的特性短时间内无法突破，锂电池的研究逐渐向安全、稳定、可靠等方向研究。
常规锂离子电池是采用正极片、隔离膜和负极片依次叠设、辊压、卷绕而成，但正负极极片辊压后材料压实密度大且表面光滑，三层材料紧密的卷绕在一起，会导致正负极与隔离膜之间的间隙非常小，致使电解液对极片的浸润性变差，电解液保液能力不足影响锂离子传输，电池循环性能变差，极片界面变差。对此，迫切需要寻求一种解决方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电池极片及其制备方法和锂离子电池。
本发明的第一方面，提出了一种电池极片，包括：
极片本体；
若干凸起单元，所述凸起单元间隔设置在所述极片本体的表面。
根据本发明实施例的电池极片，至少具有以下有益效果：该电池极片中通过在极片本体的表面间隔设置若干凸起单元，凸起单元之间具有间隙，该间隙一方面可作为储液空间和离子传输通道，从而可提高极片对电解液的浸润性，使电池极片后续应用于电池时可储存更多的电解液，提高保液能力和锂离子传输，改善电池的循环寿命及循环后期电池极片界面；另一方面，该间隙可作为散热通道，可更好地改善电池内部升温热量的散发，提高电池的安全性。
在本发明的一些实施方式中，所述凸起单元的制备材料包括无机陶瓷颗粒和粘结剂。无机陶瓷颗粒对电解液有良好的亲和性，可更好地提高电解液浸润性，改善极片界面；并且，浸润性提高可降低后续电芯二次真空封装电解液的抽出量，以利于提高电池容量和电池循环性能；并且，无机陶瓷颗粒具有优异的绝缘特性，能够预防电池内部正负极之间的微短路，可进一步提高电池的安全性。优选地，凸起单元的制备材料按质量百分数计包括75～95％的无极陶瓷颗粒和5～25％的粘结剂。
在本发明的一些实施方式中，所述无机陶瓷颗粒选自氧化铝、勃姆石中的至少一种，优选采用氧化铝；所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、聚氨酯类粘结剂中的至少一种。通过采用以上粘结剂，可将凸起单元的剥离强度控制在40N/m以上，具体可控制在40～300N/m。具体可采用无机陶瓷颗粒和粘结剂配制成浆料，再采用浆料极片本体上间隔设置凸起单元。极片本体可为正极极片或负极极片，优选采用负极极片，在负极极片上间隔设置凸起单元，极片反弹小，可进一步保证电池安全性能。
在本发明的一些实施方式中，所述凸起单元的厚度为1～3μm。若凸起单元厚度低于1μm，在电芯组装抽真空密封后，凸起单元之间的间隙被压缩，将无法起到保存电解液的作用；而若凸起单元厚度太高，后续应用于电池时卷绕后影响电池整体厚度尺寸，因此，凸起单元的厚度一般控制在1～3μm范围。
在本发明的一些实施方式中，相邻所述凸起单元之间的间距为1.5～2mm，其中间距定义为相邻凸起单元之间的最小距离。另外，若凸起单元在所在极片本体表面的覆盖率过高或过低，无法有效实现对电芯保液量的优化，因此，一般将覆盖率控制在45±5％。对于凸起单元的形状，可根据有要求进行设置，例如可设置为规则或不规则形状。
在本发明的一些实施方式中，各所述凸起单元呈阵列排布。通过采用阵列排布设计，可提高结构规整稳定性，以利于提高应用电池的性能稳定性。
在本发明的一些实施方式中，所述极片本体包括集流体和设于所述集流体表面的活性材料层；所述凸起单元设于所述活性材料层上远离所述集流体的表面。其中，极片本体中活性材料层的厚度一般控制在95～105μm。
具体地，极片本体即可为正极极片，也可为负极极片。当极片本体为负极极片时，相应的集流体为负极集流体，具体可以为锂离子电池中常规的集流体，如冲压金属、金属箔(如铜箔、铝箔等)、网状金属、泡沫状金属，优选采用铜箔。活性材料层的材料可包括负极活性材料、负极导电剂和负极粘结剂，具体可包括95wt％～97wt％负极活性材料、1wt％～2wt％负极导电剂、2wt％～3wt％负极粘结剂；例如，可包括96wt％负极活性材料、1.5wt％负极导电剂、2.5wt％负极粘结剂。其中，负极活性材料没有特别限制，可以使用本领域常规的可嵌入释出锂的负极活性物质，例如石墨、碳化硅、中间相碳微球、硅等；负极导电剂也没有特别限制，可以为本领域常规的负极导电剂，比如导电碳、碳纳米管、石墨烯、镍粉、铜粉等；负极粘结剂可为含氟树脂和聚烯烃化合物，如丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇中的一种或几种。
本发明的第二方面，提出了一种电池极片的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用无机陶瓷颗粒、粘结剂和水混合配制浆料；
S2、将所述浆料间隔涂覆于极片本体的表面，进行干燥处理。
根据本发明该实施例电池极片的制备方法，至少具有以下有益效果：该电池极片的制备方法将无机陶瓷颗粒、粘结剂和水混合制得的浆料间隔涂覆于极片本体的表面，经干燥在极片本体表面形成若干凸起单元。该制备方法简单易行，且通过以上方法在极片本体的表面各凸起单元之间具有存储散热间隙，该间隙一方面可作为储液空间和离子传输通道，可提高极片对电解液的浸润性，使电池极片后续应用于电池时可储存更多的电解液，提高保液能力和锂离子传输，改善电池的循环寿命及循环后期电池极片界面；另一方面，该间隙可作为散热通道，可更好地改善电池内部升温热量的散发，提高电池的安全性。
经研究发现，步骤S1中，采用无机陶瓷颗粒和粘结剂所配制的浆料总固含量为15％时，点阵涂覆后厚度小于1um，电池保液量无明显优化；而浆料固含量为25％时，点阵涂覆后厚度大于4.5um，影响电芯成品整体厚度尺寸。因此，浆料总固含量一般控制在大于15％且小于25％，具体可通过浆料固含量的控制调节所制得凸起单元的厚度，以使电池极片达到目标性能。
步骤S2中，可将浆料间隔点阵涂覆于极片本体的表面，以在极片本体表面制备阵列排布的凸起单元。所形成凸起单元可呈点状球状凸起结构；该球形凸起单元的直径可控制在2～4μm，各凸起单元之间的间距可控制在1.5～2mm。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，通过凹版印刷的方式将所述浆料间隔涂覆于极片本体的表面。由于点阵涂覆工序是在电极极片压实后进行，点阵涂层厚度若大于4.5μm，为防止后期电芯整体厚度超过上限，需要将极片压实密度往上限控制，该操作具有容易导致极片断带的风险；且极片压实后左右表面一致性较差，极片过辊后无法摊平，而采用凹版印刷的方式，制备过程极片在凹版印刷机的凹版辊与压胶辊中间穿过，极片较差的一致性可被压胶辊压平改善，同时可提升极片的压实密度。由此，优选采用凹版印刷的方式进行浆料涂覆。具体地，可将浆料转移到凹版印刷式涂布机凹版辊下方的接料盘中，通过凹版辊自转带动浆料覆盖在凹版辊表面，调整刮刀架使刀片刮平凹版辊表面浆料，确保浆料转移到活性材料层表面均匀一致。其中可采用凹孔直径在0.5±0.3mm、凹孔圆边距为1.5～2mm的点状凹版辊。
步骤S2之前，可通过以下步骤制备极片本体：先将活性材料与水混合配成浆料，而后使用挤压式涂布机通过挤压涂布方式将浆料挤压到集流体表面，干燥后经过辊压形成活性材料层，制得极片基材。其中，浆料的固含量可控制在48～50％。
本发明的第三方面，提出了一种锂离子电池，其包括本发明第一方面所提出的电池极片。该锂离子电池中正极极片和/或负极极片可为本发明第一方面所提出的电池极片。基于该电池极片的采用，该锂离子电池具有优异循环性能和安全性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为实施例1所制得电池极片的正视图；
图2为实施例1所制得电池极片的俯视图；
图3为采用实施例1和对比例1负极极片所制得电池的保液系数测试结果对比图；
图4为采用实施例1和对比例1负极极片所制得电芯的循环性能测试结果图；
图5为实施例1和对比例1负极极片经循环性能测试后的界面对比图；
图6为采用实施例1和对比例1负极极片所制得电芯高温循环测试过程内部温度对比图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备了一种电池极片，其制备方法具体如下：
S1、选取厚度为9μm的铜箔作为集流体；
S2、按照质量比为47:0.7:0.6:0.6:51取石墨、导电碳、CMC、SBR与去离子水，通过机械式搅拌机混合成固含量为49％的浆料；而后使用挤压式涂布机将浆料均匀涂覆在集流体两侧的表面，供料泵转速120HZ，设备运行速度30M/min；而后置于105℃烘箱中烘干，在集流体两侧表面形成厚度约为190um活性材料层，收集成膜卷；
S3、按照质量比为18.5:1.5:80取无机陶瓷颗粒氧化铝、丙烯酸类粘结剂和水，使用机械式搅拌机混合成固含量为20％的浆料，该浆料的粒径分布：D50≤0.6um、D90≤1.5um；而后采用使用挤压式涂布机利用凹孔直径为0.5mm、凹孔圆边距为2mm的点状凹版辊通过凹版印刷涂覆的方式将浆料涂布涂覆在集流体上两侧活性材料层的表面，挤压式涂布机的放卷张力为10KG，涂布速度为40m/min；再将其通过传送辊传送至90℃烘箱中，烘箱张力为10KG，收卷张力为10KG，烘箱烘烤时间为10s，烘干后在活性材料层表面制得若干个阵列排布的凸起单元，其厚度为2μm，制得电池极片，即负极极片。
本实施例所制得电池极片的结构如图1和图2所示，其包括集流体11、活性材料层12和若干凸起单元13；活性材料层12设于集流体11的两侧表面，活性材料层12与集流体11组合构成极片本体，各凸起单元13间隔设于活性材料层12上背离集流体11的表面。本实施例中，各凸起单元13呈阵列排布，即为凸起单元阵列，凸起单元13之间的间距为1.5mm，凸起单元的厚度为2μm。
实施例2
本实施例制备了一种电池极片，本实施例与实施例1的区别在于：步骤S3中凹版印刷涂覆过程，利用凹孔直径为0.5mm、凹孔圆边距为1.5mm的点状凹版辊进行涂覆。
对比例1
本对比例制备了一种电池极片，本对比例与实施例1的主要区别在于：步骤S3中，按照质量比为14:1:85取无机陶瓷颗粒氧化铝、丙烯酸类粘结剂和水，配制成固含量为15％的浆料，其他操作方法与实施例1相同。采用以上固含量的浆料按相同于实施例1中方法通过凹版印刷制得的凸起单元的厚度为0.8μm。
对比例2
本对比例制备了一种电池极片，本对比例与实施例1的主要区别在于：步骤S3中，按照质量比为21.5：3.5：75取无机陶瓷颗粒氧化铝、丙烯酸类粘结剂和水，配制成固含量为25％的浆料，其他操作方法与实施例1相同。采用以上固含量的浆料按相同于实施例1中方法通过凹版印刷制得的凸起单元的厚度为5μm，所制得电池极片厚度大，将其进一步应用于卷绕制作电池会影响电池整体厚度尺寸。
对比例3
本对比例制备了一种电池极片，本对比例与实施例1的主要区别在于：取消步骤S3的操作，其他操作方法与实施例1相同。
性能测试
分别采用以上实施例1和对比例3所制得负极极片按照M6S工艺对应制成电芯样品1和电芯样品2，而后分别对电芯样品1～2进行保液系数测试，具体测试方法包括：采用55个电芯样品1和55个电芯样品2，分别注入相同重量的同款电解液LiPF6后对电芯进行称重，而后进行静置封装，化成测试，再进行两次真空封装，最后测量电芯重量，可得到电芯内部电解液保液量，按照计算公式保液系数＝保液量/电芯容量，计算出保液系数。通过以上测试所得结果如图3所示，图3中(a)为采用实施例1负极极片所制得电芯的保液系数测试结果，(b)为采用对比例3负极片所制得电芯的保液系数测试结果。测试得出，采用实施例1负极极片(具有凸起单元阵列)所制得电芯的保液系数均值为1.7267，高于采用对比例3负极极片(不含凸起单元阵列)所制得电芯的保液系数均值1.6584，由此可知，采用实施例1具有凸起单元阵列的负极极片制得的电芯保液性能优于采用对比例3常规负极极片所制得的电芯，在集流体上的活性材料层表面进一步制备凸起单元阵列可提升电池极片对电解液的浸润性，提升电解液保液性能。
另外，分别采用实施例1和对比例3所制得负极极片按照以上方法对应制得电芯样品1和电芯样品2，并注入相同电解液LiPF6，而后分别对电芯样品1～2进行循环性能测试，具体测试方法为：1)将电芯样品转入45℃±2℃环境下，搁置时间120min；2)以0.5C恒流放电至3V，搁置时间5min；3)以0.7C恒流恒压充电至4.45V，截至倍率0.05C，搁置时间5min，以0.5C恒流放电至3V，搁置时间5min；重复步骤3)100次，同步检测电芯表面温度变化。经测试所得循环性能测试结果如图4所示。由图4可知，电芯样品1采用实施例1所制得负极极片(其在集流体表面的活性材料层上进一步设置凸起单元阵列)，相比于电芯样品2采用对比例3所制得负极极片(其仅在集流体表面设置活性材料层，未设置凸起单元阵列)，在相同循环测试条件下，电性样品1的容量保有量及循环性能均优于电芯样品2。
以上循环性能测试后的电池极片如图5所示，图5中(a)为电芯样品1中所采用实施例1的负极极片经循环性能测试后的界面照片，(b)为电芯样品2中所采用对比例3的负极极片经循环性能测试后的界面照片。由图5可知，对比例3负极极片在集流体表面仅设置活性材料层，其极片表面容易形成紫斑，因为电芯卷绕紧密，电解液对极片浸润性较差，导致极片部分区域电解液少，影响锂离子传输，致使负极表面镶嵌的电子过少而形成紫斑色差；而实施例1负极极片通过在集流体表面的活性材料层上进一步设置凸起单元阵列，凸起单元之间的间隙可形成储液空间和离子传输通道，其无机陶瓷颗粒对电解液具有良好的亲和性，从而可提高电解液浸润性，提高保液能力和离子传输能力，改善极片界面。
对以上电芯样品1和电芯样品2进行高温循环测试过程实时监测电芯内部温度，所得结果如图6所示。由图6可知，电芯样品1中所采用实施例1具有凸起单元阵列的负极极片，高温循环过程电池内部升温低于采用对比例3常规的负极极片电芯样品2，由此可知，在极片基材表面进一步制备凸起单元阵列可提升电池内部热量的散发。
另外，按照类似于以上的方法，分别采用和对比例1～3所制备电池极片制备成电芯，并进行相应的效果测试。采用对比例1电池极片制备的电芯，由于在电芯组装抽空真密封后，极片表面的凸起单元之间间隙被压缩，无法起到保存电解液的作用，进而该产品电芯相比于采用对比例3电池极片所制备的电芯保液量没有明显优化；而采用对比例2电池极片制备的电芯厚度较大，不符合要求。
由上，本发明通过在极片基材的表面间隔设置若干凸起单元，凸起单元之间具有间隙，该间隙一方面可作为储液空间和离子传输通道，从而可提高极片对电解液的浸润性，使电池极片后续应用于电池时可储存更多的电解液，提高保液能力和锂离子传输，改善电池的循环寿命及循环后期电池极片界面；另一方面，该间隙可作为散热通道，可更好地改善电池内部升温热量的散发，提高电池的安全性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电池极片，其特征在于，包括：
极片本体；
若干凸起单元，所述凸起单元间隔设置在所述极片本体的表面。
2.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述凸起单元的制备材料包括无机陶瓷颗粒和粘结剂。
3.根据权利要求2所述的电池极片，其特征在于，所述无机陶瓷颗粒选自氧化铝、勃姆石中的至少一种；所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、聚氨酯类粘结剂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述凸起单元的厚度为1～3μm。
5.根据权利要求4所述的电极极片，其特征在于，相邻所述凸起单元之间的间距为1.5～2mm。
6.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，各所述凸起单元呈阵列排布。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池极片，其特征在于，所述极片本体包括集流体和设于所述集流体表面的活性材料层，所述凸起单元设于所述活性材料层上远离所述集流体的表面。
8.权利要求1至7中任一项所述电池极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用无机陶瓷颗粒、粘结剂和水混合配制浆料；
S2、将所述浆料间隔涂覆于极片本体的表面，进行干燥处理。
9.根据权利要求8所述的电池极片的制备方法，其特征在于，步骤S2中，通过凹版印刷的方式将所述浆料间隔涂覆于极片本体的表面。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的电池极片。
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